EP2759560B1 - Polymergebundene Antistatikadditive und damit antistatisch ausgerüstete Elastomere und Elastomerbauteile - Google Patents

Polymergebundene Antistatikadditive und damit antistatisch ausgerüstete Elastomere und Elastomerbauteile Download PDF

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EP2759560B1
EP2759560B1 EP14000048.0A EP14000048A EP2759560B1 EP 2759560 B1 EP2759560 B1 EP 2759560B1 EP 14000048 A EP14000048 A EP 14000048A EP 2759560 B1 EP2759560 B1 EP 2759560B1
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EP
European Patent Office
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elastomer
elastomers
additives
polymer
antistatic
Prior art date
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EP14000048.0A
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EP2759560A2 (de
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Katrin Szabang
Michaela Gedan-Smolka
René JURK
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Gifas Beteiligungen GmbH
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Gifas Beteiligungen GmbH
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    • C08L2201/04—Antistatic

Definitions

  • the invention relates to polymer-bound additives for the permanent antistatic finishing of elastomers, the permanent elastically antistatic elastomers, processes for the preparation of permanently antistatic elastomers and components thereof for electrical and electronic applications both in the low voltage range and in the high performance and high voltage range.
  • a particularly important area of application is explosion protection.
  • vulcanized elastomers are inherently electrically insulating and have a surface resistivity of >> 10 13 ⁇ / ⁇ .
  • antistatic elastomer components are therefore desired for the stated field of application whose specific surface resistance is below 10 10 ⁇ / ⁇ under normal climatic conditions (23 ° C., 50% relative humidity) that the components can dissipate static charges.
  • the discharge of electrical charge from the components can simultaneously reduce the dust load, which in turn reduces the likelihood of short circuits and reduces the cleaning effort over the life of the equipment.
  • the prevention or suppression of the electrostatic charge of operating equipment in the processing industry eg the chemical industry, in large bakeries, mills, etc. provides good explosion protection or contributes at least to explosion protection.
  • Antistatic plastics and elastomers are known in the art.
  • antistatic finishing of plastics in general can be accomplished in three ways, either by surface application of an antistatic By means of, for example, surface-active or hygroscopic substances, or by incorporating an antistatic agent in the plastic or by incorporating electrically conductive additives into the plastic, such as carbon black, graphite, CNT, metals or semiconductor substances.
  • the proportions of carbon black or graphite added to the elastomer compositions for components for use in the high-performance or high-voltage range is achieved because the filling levels necessary to exceed the percolation threshold are not possible.
  • An increase in the amount used would be detrimental to the mechanical component properties, eg. As the tensile strength, impact.
  • problems in dispersing the soot particles may occur, resulting in inhomogeneity in the material.
  • the components are dark gray to black depending on the type and amount of carbon contained.
  • CNT Carbon Nano Tubes
  • the DE 69630453.8 T2 inherently describes conductive polymers for the antistatic finish of thermoplastic elastomers or elastomeric blends. These polymers also serve as EMI shielding material.
  • an antistatic elastomer composition containing a copolymer of polyamide and polyether blocks for the purpose of improving the antistatic properties.
  • the DE-OS 40 15 184 describes a synergistic mixture of two compounds, which should also be suitable as an antistatic agent for natural rubber.
  • the DE-OS 44 12 366 describes alkylamidopropylbetaines as fast-acting antistatic additives for thermoplastics, predominantly polyolefins, which have no negative surface effects as a result of the migration of low molecular weight substances to the surface.
  • the EP 1 500 684 A1 describes antistatic elastomeric compositions of elastomers and block polymers of polyether and polyamide blocks.
  • the block polymers are incorporated in the elastomers.
  • the antistatic additives used in the prior art and used for the antistatic finishing of polymer matrices or elastomer matrices have the disadvantage of not being able to lower the surface resistivity below 10 10 ⁇ / ⁇ , as in the case of carbon black and graphite. which also cause an undesired dark gray to black coloring of the elastomer matrices and thus the components produced therefrom.
  • the known polymer-based antistatic additives do not allow for permanent antistatic finish of a polymeric or bulk elastomeric material.
  • a permanent anti-static equipment elastomeric bulk materials and components made therefrom are not only desirable for the specified applications, but indispensable for the explosion protection.
  • the antistatic additives should be able to be permanently integrated into the elastomer matrix by covalent bonding in order to be able to permanently produce antistatic electrical and electronic components for the high-power or high-voltage range. These components should have an increased Shore D hardness and tensile strength compared to non-additive or otherwise additiv elected materials.
  • the present invention initially polymer-bound or polymeric additives for the antistatic finishing of elastomers, wherein the additives based on unsaturated polyesters and / or end-functionalized rubbers (elastomers), wherein the unsaturated polyester and / or end-functionalized rubbers are preferably in ionic or electrolytic form and are defined formulaically in claim 1.
  • the unsaturated polyesters are selected from the group consisting of the compounds of the formulas UP-1 to UP-7.
  • the end-group-functionalized rubbers are selected from the group consisting of the compounds of the formulas PB4, PB8 and PB7.
  • the antistatic additives according to the invention based on unsaturated polyesters and end-functionalized rubbers / polybutadienes according to the invention advantageously have a thermal stability of at least 180 ° C., preferably of 200 ° C. These temperatures are advantageous for a homogeneous introduction of the additives into a polymer or elastomer matrix and facilitate the processing.
  • n or n + m is preferably a number between 10 and 30. It is In the case of the polymer-bound or polymeric additives according to the invention, therefore, advantageously so-called oligomers having chain lengths which are between those of polymers and low molecular weight compounds.
  • the invention accordingly also provides antistatic elastomers or elastomer compositions (elastomer blends) based on an elastomer matrix of at least one elastomer and / or at least one rubber, wherein the elastomer matrix has at least one polymer-bound or polymeric antistatic additive according to at least one of claims 1 to 9 homogeneous introduced and covalently bound or can be covalently bound.
  • the or the polymeric antistatic additive (s) is present in proportions of between 0.1 and 20.0% by weight, preferably between 0.5 and 10% by weight and more preferably between 1 and 6% by weight in the Complete recipe included.
  • the antistatic additives according to the invention are therefore required for the desired large reduction of the specific surface resistance. With such small amounts used, a disturbance of the elastomer matrix is not to be expected or avoided.
  • mixtures of the polymeric antistatic additives based on unsaturated polyesters and on the basis of end-group-functionalized elastomers (rubbers) to be present as antistatic additive in the antistatic elastomers or elastomer compositions according to the invention.
  • the ratio between polymeric antistatic additives based on unsaturated polyesters and polymeric antistatic additives based on end-group-functionalized elastomers (rubbers) can vary within wide limits, ie. between 99: 1 and 1:99. Preferably, however, the ratio will be between 95: 5 and 5:95, and more preferably between 80:20 and 20:80.
  • the invention also provides a process for the production of permanently antistatically finished elastomers or components thereof, in which, in a first step, the or the polymeric Antikstatikadditiv (s) according to claims 1 to 9 is homogeneously distributed in the elastomer or the elastomer mixture and the components are reactively coupled in a second step by vulcanization to form covalent bonds between the elastomer matrix and the polymeric antistatic additive.
  • the permanently antistatically finished elastomer composition can first be prepared and, if appropriate, stored before the further processing into components or component components.
  • the components or component components can also be formed simultaneously during vulcanization.
  • the or the polymeric (s) antistatic additive (s) is first homogeneously premixed with the matrix elastomers and then added in the usual manner further formulation ingredients such as fillers, polymerization inhibitors and finally vulcanization accelerators and homogenized with the mixture.
  • the homogeneous distribution of the components can be accomplished by stirring in a stirred tank, dispersing with a toothed disc stirrer in a stirred tank or dispersing according to the rotor-stator principle in a stirred tank.
  • the or the polymeric (s) antistatic additive (s) is or are added to the matrix elastomers before or during the incorporation of the vulcanization accelerator and distributed homogeneously.
  • the or the polymeric (s) antistatic additive (s) is homogeneously distributed by a kneading process in a plastic melt of the matrix elastomers.
  • the or the polymer (s) antistatic additive (s) is homogeneously distributed by a rolling process in a plastic melt of the matrix elastomers.
  • no vulcanizing agents should be included in the formulation during the rolling process. Otherwise, the higher temperatures occurring during rolling could prematurely start the vulcanization process.
  • the vulcanization can optionally be carried out by means of sulfur vulcanization, peroxide vulcanization or vulcanization with high-energy radiation.
  • the preparation of the inventively antistatic elastomers or elastomer mixtures thus allows for some variations.
  • the introduction of the antistatic additives or antistatic additive mixtures can thus be carried out either subsequently to the already finished unvulcanized elastomer mixture or even during the production process of the elastomer mixture.
  • the antistatic additives based on the rubber or elastomer derivatives owing to the structural similarity, a good compatibility and thus dispersibility with the elastomer matrix to be finished was expected and has also been demonstrated.
  • the use of the antistatics based on the modified unsaturated polyester also showed a surprisingly good compatibility / dispersibility with the elastomer matrix.
  • the double bonds containing antistatic agents used according to the invention can be incorporated for the first time via chemically covalent bonds into an elastomer network (an elastomer matrix).
  • an elastomer network an elastomer matrix
  • the additive has no or only a slight (negative) influence on the processing properties of the elastomer or of the elastomer mixture and the resulting mechanical properties the vulcanizates, but this could be overcompensated if necessary by an adaptation of the recipe.
  • the invention also provides the use of the permanently antistatic elastomers prepared by the process according to claims 14 to 21 for the production of components for use in electrical engineering and electronics.
  • the chemical incorporation of the additives into the elastomer network not only results in a significant reduction of the specific surface resistance to below 10 10 ⁇ / ⁇ , but also improves the surface hardness (Shore D) and tensile strength in comparison to the unadditized elastomer matrix.
  • the glass transition temperature of the antistatically treated vulcanizate is not or only slightly (negatively) influenced by the integration of the additive or the additives.
  • the unsaturated polyesters can be prepared in a known manner via polymer synthesis reactions by using a monomer having already contained ionic functionalities ( Dr. D. Braun, H. Cherdron, and W. Kern, Internship in Macromolecular Organic Chemistry. Alfred Bachhig Verlag GmbH, Heidelberg, 1979 ).
  • additives with reactive double bonds, which are used in the vulcanization of the Elastomers are integrated into its network and thus enable a permanent anti-static equipment.
  • the end-group-functionalized elastomers can be prepared in a known manner by polymer-analogous reactions ( AB Cherian, ET Thachil, Journal of Applied Polymer Science 2004, 94, 1956 ).
  • Table 1 summarizes the surface resistivities of the pure synthesis products of the preferred antistatic additives according to the invention.
  • the surface resistivity was determined by application to a non-conductive substrate (surface resistivity> 10 12 ⁇ / ⁇ ) of all compounds. All products were suitable as antistatic additives.
  • Table 1 ⁇ u> Surface resistance of the preferred antistatic additives ⁇ / u> additives Surface resistance [ ⁇ / ⁇ ] (dry climate *) Surface resistance [ ⁇ / ⁇ ] (normal climate *) UP1 1 ⁇ 10 6 2 ⁇ 10 6 UP2 3 ⁇ 10 8 8 ⁇ 10 7 UP3 3 ⁇ 10 8 5 ⁇ 10 7 UP4 2 ⁇ 10 9 3 ⁇ 10 7 UP5 1 ⁇ 10 8 7 ⁇ 10 7 UP6 1 ⁇ 10 6 2 ⁇ 10 6 UP7 2 ⁇ 10 8 3 ⁇ 10 5 PB 4 7 ⁇ 10 9 2 ⁇ 10 9 PB7 5 ⁇ 10 6 7 ⁇ 10 5 PB8 4 ⁇ 10 6 1 ⁇ 10 6 sodium 1 ⁇ 10 9 4 ⁇ 10 8 (* DIN EN ISO 3672-2: Normal climate: 23 ° C / 50% humidity, dry climate 20 ° C / 35% humidity)
  • the surface resistance R is measured after climate conditioning of the samples in a dry climate (20 ° C / 35% humidity) and in normal climate (23 ° C / 50% humidity) in the KBF climate control cabinet from BINDER with the high resistance HM 307 D from FETRONIC a ring electrode. Recommendations of the duration and type of conditioning were taken from the standard DIN EN ISO 3915 and set to at least 16 h.
  • the elastomers additized with antistatic additives can be directly vulcanized after the homogenization and stored until their further processing.
  • the formation of antistatic components or component components can also be carried out simultaneously with the vulcanization.
  • Example 1 Antistatic finish of elastomer (component) by means of unsaturated polyester
  • the antistatic additive UP-5 based on an unsaturated polyester of the formula shown above was obtained by means of a polycondensation reaction in melt at 170 ° C. for 1 h under a protective gas atmosphere according to a method known in the literature ( Dr. D. Braun, H. Cherdron, and W. Kern, Internship in Macromolecular Organic Chemistry. Alfred Bachhig Verlag GmbH, Heidelberg, 1979 ).
  • a method known in the literature Dr. D. Braun, H. Cherdron, and W. Kern, Internship in Macromolecular Organic Chemistry. Alfred Hüthig Verlag GmbH, Heidelberg, 1979 .
  • sodium citrate was used as the monomeric building block having ionic functionalities.
  • the resulting antistatic additive UP-5 is colorless and has a very good thermal stability up to 190 ° C with a residual mass of 90%.
  • the thermal stability of the additive UP-5 is increased by the chemical covalent integration into the elastomer network.
  • 5% by weight of unsaturated UP-5 polyester based on the total formulation is added to the matrix elastomer and mixed in the kneader (e.g., Haake PolyLab System Rheomix R600p laboratory kneader) at 70 ° C for 5 minutes. Thereafter, further formulation ingredients (fillers, polymerization or vulcanization inhibitors) are added and homogenized for a further 5 minutes at a constant temperature. Finally, the vulcanizing agents (accelerator, sulfur) are added and homogenized with the elastomer mixture for 2 minutes.
  • the kneader e.g., Haake PolyLab System Rheomix R600p laboratory kneader
  • the vulcanization is then carried out according to known in the art for the vulcanization of elastomers and conventional methods.
  • the vulcanized elastomeric material is then conditioned in normal climate (23 ° C, 50% relative humidity) and in dry climate (20 ° C, 35% relative humidity) over a period of at least 16 h.
  • the surface resistance R according to DIN EN 61340-2-1 is determined by means of the HM 307 D high-resistance measuring device from FETRONIC.
  • the surface resistance of the elastomer without UP-5 is >> 10 13 ⁇ / ⁇ .
  • Such equipped elastomer components are thus antistatic conductive (Table 2).
  • Table 2 ⁇ u> Specific surface resistances of an unadditized elastomer (s) and of a 5% UP-5 antistatic elastomer (component) s ⁇ / u> sample Surface resistance [ ⁇ / ⁇ ] (dry climate *) Surface resistance [ ⁇ / ⁇ ] (normal climate *) Vulcanized elastomer (component) / not additized >> 10 13 ⁇ / ⁇ >> 10 13 ⁇ / ⁇ Vulcanized Elastomer (component) m. 5% by weight UP-5 1 ⁇ 10 8 7 ⁇ 10 7 (* DIN EN ISO 3672-2: Normal climate: 23 ° C / 50% humidity, dry climate 20 ° C / 35% humidity)
  • Table 3 summarizes the mechanical and thermal properties of the elastomer (component) additized with the polymeric antistatic additive as compared to that without additive addition.
  • Table 3 Properties of the 5 wt.% UP-5 additized elastomer mixture in comparison to the unadditized elastomer mixture Vulcanized unadditized elastomer (component) Vulcanized with 5 wt.% UP-5 additized elastomer (component) Hardness after Shore D 48.4 48.9 Tensile strength at 100% elongation 6.65 6.95 Glass transition temperature 73.5 ° C 72.1 ° C
  • the chemically covalent attachment of the additive into the elastomer network results in an improvement in the surface hardness (Shore D) and in the tensile strength for the elastomer (component) equipped with a polymeric antistatic additive compared to the non-additized sample.
  • the glass transition of the antistatically treated vulcanizate is not adversely affected by the integration of the additive.
  • Example 2 Antistatic finishing of elastomer (component) by means of end-group functionalized antistatic additives
  • the antistatic additive PB7 was obtained according to the literature by reacting the carboxyl functions of an UP resin with a hydroxyl-functionalized polybutadiene in melt AB Cherian, ET Thachil, Journal of Applied Polymer Science 2004, 94, 1956 ). The preparation was carried out under argon atmosphere at 160 ° C for 1 h. The antistatic additive obtained is colorless and has a very good thermal stability up to 190 ° C with a residue of 89%.
  • PB7 5% by weight of PB7 were admixed to an elastomer mixture without vulcanization components (accelerator, sulfur) in the kneader (eg laboratory kneader Haake PolyLab system Rheomix R600p) at 70 ° C. for 10 minutes. Then the vulcanization components are added and homogenized again for 2 minutes at constant temperature with the elastomer matrix.
  • the vulcanization is carried out according to the known and customary for elastomers in the art.
  • the vulcanized elastomer is conditioned in a normal climate (23 ° C / 50% humidity) and in a dry climate (20 ° C / 35% humidity) over a period of at least 16 h.
  • the surface resistance R according to DIN EN 61340-2-1 is determined by means of the HM 307 D high-resistance measuring device from FETRONIC.
  • the surface resistance of the elastomer without PB7 is >> 10 13 ⁇ / ⁇ .
  • Such equipped elastomer components are thus antistatic conductive (Table 4).
  • Table 4 ⁇ u> Specific surface resistivities of an unadditized elastomer (component) s and of an elastomer (component) antistatically treated with 5 wt% PB7 s ⁇ / u> sample Surface resistance [ ⁇ / ⁇ ] (dry climate *) Surface resistance [ ⁇ / ⁇ ] (normal climate *) Vulcanized elastomer (component) / not additized >> 10 13 >> 10 13 Vulcanized Elastomer (component) m. 5% by weight PB7 5 ⁇ 10 6 7 ⁇ 10 5 (* DIN EN ISO 3672-2: Normal climate: 23 ° C / 50% humidity, dry climate 20 ° C / 35% humidity)
  • Table 5 summarizes the mechanical and thermal properties of the elastomer (component) additized with the polymeric antistatic additive as compared to that without additive addition.
  • Table 5 ⁇ u> Properties of the 5 wt.% PB7 additized elastomer mixture compared to the unadditized elastomer mixture ⁇ / u> Vulcanized unadditized elastomer (component) Vulcanized with 5 wt.% UP-5 additized elastomer (component) Hardness after Shore D 48.4 48.6 Tensile strength at 100% elongation 6.65 MPa 6.81 MPa Glass transition temperature 73.5 ° C 71.5 ° C
  • the chemically covalent attachment of the additive into the elastomer network again improves the surface hardness (Shore D) and the tensile strength for the elastomer (component) equipped with a polymeric antistatic additive in comparison with the non-additized sample.
  • the glass transition of the antistatically treated vulcanizate is likewise not adversely affected by the integration of the additive.
  • the polymeric antistatic additives of the present invention can be integrated into the elastomer network (bulk phase) in the vulcanization process via chemically covalent bonds. This results in a high permanence of the effectiveness, ie the antistatic property of elastomers equipped in this way. At the same time, one obtains an improvement of the application-relevant properties of surface hardness and tensile strength, while maintaining the glass transition temperature of the corresponding unadditivated vulcanizate. The effectiveness of the antistatic additives is not dependent on the ambient humidity or such dependence is largely reduced.
  • the polymeric antistatic additives are matrix-compatible and can therefore be easily and homogeneously integrated into the elastomer matrix.
  • the antistatic additives are neutral in color, so that any colored elastomers or elastomer components can be produced without restriction.
  • the polymer-bound antistatic additives can be prepared by simple syntheses in substance and can be used without further work-up steps.
  • the antistatic additives are thermostable up to 190 ° C and thus easy to handle in their further processing. In order to give an elastomer matrix antistatic properties in the desired sense (specific surface resistance significantly below 10 10 ⁇ / ⁇ ), only relatively small amounts of the antistatic additives are required. Due to the possibility of a permanent anti-static finish of the elastomers and components produced therefrom, the latter are advantageous for use in the field of explosion protection.

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Description

  • Die Erfindung betrifft polymergebundene Additive zur permanent antistatischen Ausrüstung von Elastomeren, die damit permanent antistatisch ausgerüsteten Elastomere, Verfahren zur Herstellung der permanent antistatisch ausgerüsteten Elastomere sowie von Bauteilen daraus für elektrotechnische und elektronische Anwendungen sowohl im Niederspannungsbereich als auch im Hochleistungs- bzw. Hochspannungsbereich. Ein besonders wichtiger Anwendungsbereich ist der Explosionsschutz.
  • Es ist üblich vulkanisierte Elastomere als Bauteile für elektrotechnische und elektronische Anwendungen einzusetzen. Polymere allgemein, so auch Elastomere, sind an sich elektrisch isolierend und besitzen einen spezifischen Oberflächenwiderstand von >> 1013 Ω/□. Zum Schutz von Personen und Anlagen vor elektrostatischer Aufladung, vor Entladungsvorgängen oder Funkenentladungen sind daher für den genannten Anwendungsbereich antistatisch ausgerüstete Elastomerbauteile gewünscht, deren spezifischer Oberflächenwiderstand bei normalen Klimabedingungen (23° C, 50% relative Luftfeuchte) unter 1010 Ω/□ liegt, so dass die Bauteile statische Ladungen ableiten können. Der Abfluss elektrischer Ladung von den Bauteilen kann gleichzeitig eine Verminderung der Staubbelastung bewirken, die wiederum die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen zumindest verringert und den Reinigungsaufwand über die Lebensdauer der Anlagen reduziert. Die Vermeidung oder Unterdrückung der elektrostatischen Aufladung von Betriebsanlagen der verarbeitenden Industrie, z.B. der chemischen Industrie, in Großbäckereien, Mühlen etc. bietet einen guten Explosionsschutz oder trägt zumindest zum Explosionsschutz bei.
  • Antistatisch ausgerüstete Kunststoffe und Elastomere sind im Stand der Technik bekannt. Eine antistatische Ausrüstung von Kunststoffen im Allgemeinen kann prinzipiell auf drei Wegen erfolgen, entweder durch oberflächliche Applikation eines antistatischen Mittels, z.B. oberflächenaktive oder hygroskopische Substanzen, oder durch Einarbeiten eines antistatischen Mittels in den Kunststoff oder durch Einarbeiten von elektrisch leitenden Zuschlagststoffen in den Kunststoff, wie beispielsweise Ruß, Grafit, CNT, Metalle oder Halbleitersubstanzen.
  • Derzeit werden den Elastomerzusammensetzungen für Bauteile zur Anwendung im Hochleistungs- bzw. Hochspannungsbereich geringe Anteile von Ruß oder Grafit beigemengt, womit jedoch keine Absenkung des spezifischen Oberflächenwiderstandes erreicht wird, da die zur Überschreitung der Perkolationsschwelle nötigen Füllgrade nicht möglich sind. Eine Erhöhung der Einsatzmenge würde sich nachteilig auf die mechanischen Bauteileigenschaften, z. B. die Zugfestigkeit, auswirken. Ferner können Probleme bei der Dispergierung der Rußpartikel auftreten, was zu einer Inhomogenität im Material führt. Die Bauteile sind je nach Art und Menge des enthaltenen Kohlenstoffs dunkelgrau bis schwarz gefärbt.
  • Die Zumengung von CNT (Carbon Nano Tubes) kann den spezifischen Oberflächenwiderstand von Kunststoffkompositen zwar in den erforderlich niedrigen Bereich absenken und das schon mit etwa 10fach geringeren Einsatzmengen im Vergleich zu Ruß. Es handelt sich dabei aber um Nanopartikel, deren umweltökologische und gesundheitsrelevante Auswirkungen bei ihrer Freisetzung aus der Kunststoff- bzw. Elastomermatrix, beispielsweise durch Alterungsprozesse, derzeit nicht geklärt sind.
  • Eine Vielzahl von Patenten oder Patentanmeldungen ist auch mit antistatischen Ausrüstungen von Elastomeren befasst, wobei die Ausrüstung darauf beruht, dass man leitfähige Additive physikalisch in das Elastomermaterial einbringt. Beispielsweise beschreibt die EP 1 910 445 das Einbringen von Cadmium-, Indium-, Blei- und/oder Zinkoxid bzw. -hydroxid, die DE 36 33 883 und die DE 69 93 0728 das von Ruß, die DE 60037988 das von Carbon Black, die DE 10 2004 042033 das von quartären Ammoniumsulfonaten oder die DE 10 2009 044345 das von ionischen Flüssigkeiten in Verbindung mit anderen Leitfähigkeitszusätzen. So werden elektrisch leitende elastomere Massen erhalten.
  • Die DE 69630453.8 T2 beschreibt inhärent leitfähige Polymere für die antistatische Ausrüstung thermoplastischer Elestomere oder Elastomerblends. Diese Polymere dienen auch als EMI-Abschirmmaterial. In der DE 60306144 T2 ist eine antistatische Elastomerzusammensetzung beschrieben, die zur Verbesserung der antistatischen Eigenschaften ein Copolymer aus Polyamid und Polyetherblöcken enthält. Die DE-OS 40 15 184 beschreibt ein synergistisches Gemisch zweier Verbindungen, das als Antistatikmittel auch für Naturkautschuk geeignet sein soll. Die DE-OS 44 12 366 beschreibt Alkylamidpropylbetaine als schnell wirkende Antistatikadditive für thermoplastische Kunststoffe, vorwiegend Polyolefine, beschrieben, die keine negativen Oberflächeneffekte in Folge der Migration niedermolekularer Stoffe an die Oberfläche aufweisen.
  • Verschiedene Telechelic-Ionomere mit Polyisopren- oder Polybutadienstruktur sind im Stand der Technik beschrieben:
  • Die EP 1 500 684 A1 beschreibt antistatische Elastomerzusammensetzungen aus Elastomeren und Blockpolymeren aus Polyether- und Polyamidblöcken. Die Blockpolymere sind in die Elastomere eingearbeitet.
  • Keine dieser Druckschriften gibt einen Hinweis darauf, dass die Antistatikmittel durch kovalente Bindung in die Polymermatrix permanent integriert wären, oder dass hierfür eine Notwendigkeit bestünde.
  • Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die im Stand der Technik bekannten und zur antistatischen Ausrüstung von Polymermatrizes, respektive Elastomermatrizes, verwendeten Antistatikadditive den Nachteil besitzen, den spezifischen Oberflächenwiderstand nicht unter 1010 Ω/□ absenken zu können, wie im Fall von Ruß und Grafit, die auch eine ungewünschte dunkelgraue bis schwarze Einfärbung der Elastomermatrizes und damit der daraus hergestellten Bauteile bewirken. Die bekannten Antistatikadditive auf Polymerbasis lassen eine permanente antistatische Ausrüstung eines polymeren oder elastomeren Bulkmaterials nicht zu. Eine permanente Antistatikausrüstung elastomerer Bulkmaterialien und daraus hergestellter Bauteile sind für die angegebenen Anwendungsbereiche nicht nur wünschenswert, sondern für den Explosionsschutzbereich unabdingbar.
  • Unter einem ersten Aspekt ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung Antistatikadditive für insbesondere Elastomere anzugeben, welche mit der Elastomermatrix kompatibel sind und damit leicht in dieser verteilbar bzw. homogenisierbar sind. Unter einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sollen die Antistatikadditive permanent durch kovalente Anbindung in die Elastomermatrix integrierbar sein, um daraus permanent antistatisch ausgerüstete Elektrik- und Elektronikbauteile für den Hochleistungs- bzw. Hochspannungsbereich erzeugen zu könne. Diese Bauteile sollen eine erhöhte Shore D-Härte und Zugfestigkeit im Vergleich zu nicht-additivierten oder anderweitig additivierten Materialien aufweisen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind zunächst polymergebundene bzw. polymere Additive zur antistatischen Ausrüstung von Elastomeren, wobei die Additive auf ungesättigten Polyestern und/oder endgruppenfunktionalisierten Kautschuken (Elastomeren) basieren, wobei die ungesättigten Polyester und/oder endgruppenfunktionalisierten Kautschuke vorzugsweise in ionischer bzw. Elektrolytformform vorliegen und in Anspruch 1 formelmäßig definiert sind.
  • Die ungesättigten Polyester sind aus der Gruppe ausgewählt, die aus den Verbindungen der Formeln UP-1 bis UP-7 besteht.
  • Die endgruppenfunktionalisierten Kautschuke (Elastomere), respektive bevorzugt Polybutadiene, sind aus der Gruppe ausgewählt, die aus den Verbindungen der Formeln PB4, PB8 und PB7 besteht.
  • Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Antistatikadditive auf Basis ungesättigten Polyester und endgruppenfunktionalisierten Kautschuke/Polybutadiene weisen in vorteilhafter Weise eine Thermostabilität von mindestens 180°C, bevorzugt von 200°C auf. Diese Temperaturen sind für ein homogenes Einbringen der Additive in eine Polymer- bzw. Elastomermatrix vorteilhaft und erleichtern die Verarbeitung.
  • Diese ungesättigten Polyester und endgruppenfunktionalisierten Kautschuke/Polybutadiene haben des Weiteren den Vorteil, dass sie farbneutral sind. Sie färben das damit antistatisch auszurüstende Elastomermaterial daher nicht, so dass dieses gegebenenfalls mit anderen Farbpigmenten bzw. Färbemitteln einer gewünschten Farbe koloriert werden kann.
  • Bei den oben formelmäßig angegebenen ungesättigten Polyestern (UP-1 bis UP-7) und endgruppenfunktionalisierten Kautschuken/Polybutadienen (PB-4, PB-7 und PB-8) ist n oder n + m bevorzugt eine Zahl zwischen 10 und 30. Es handelt sich bei den erfindungsgemäßen polymergebundenen bzw. polymeren Additiven also in vorteilhafter Weise um sogenannte Oligomere mit Kettenlängen, die zwischen den von Polymeren und niedermolekularen Verbindungen liegen.
  • Gegenstand der Erfindung sind demnach auch antistatisch ausgerüstete Elastomere oder Elastomerzusammensetzungen (Elastomerblends), basierend auf einer Elastomermatrix aus wenigstens einem Elastomer und/oder wenigstens einem Kautschuk, wobei in die Elastomermatrix wenigistens ein polymergebundenes bzw. polymeres Antistatikadditiv nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 homogen eingebracht und kovalent gebunden ist bzw. kovalent gebunden werden kann.
  • Durch den Zusatz dieser neuen polymergebundenen Antistatikadditive auf Basis von ungesättigten Polyestern oder elektrolytfunktionalisierten Elastomeren (Kautschuken), beispielsweise elektrolytfunktionalisierten Polybutadienen, ist es möglich den spezifischen Oberflächenwiderstand der vulkanisierten Elastomere bei Normalklima (23°C, 50% relative Luftfeuchte) deutlich von >> 1013 Ω/□ auf weit unter 1010 Ω/□ abzusenken, wie in den später beschriebenen Ausführungsbeispielen bewiesen wird. Die so additivierten Elastomere bzw. Elastomerzusammensetzungen sind weitgehend farblos und lassen somit die Herstellung von beliebig gefärbten Elastomerbauteilen mit antistatischer Ausrüstung zu und zwar unabhängig von der Menge an zugesetztem Additiv.
  • Erfindungsgemäß ist das oder sind die polymere(n) Antistatikadditiv(e) in Anteilen zwischen 0,1 und 20,0 Gew.%, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 Gew.% und noch bevorzugter zwischen 1 und 6 Gew.% in der Gesamtrezeptur enthalten. Im Vergleich zu beispielsweise intrinsisch antistatischen Polymeren sind somit nur relativ geringe Einsatzmengen der erfindungsgemäßen Antistatikadditive zur gewünscht großen Absenkung des spezifischen Oberflächenwiderstands erforderlich. Mit derart geringen Einsatzmengen ist eine Störung der Elastomermatrix nicht zu erwarten bzw. vermeidbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können auch Mischungen aus den polymeren Antistatikadditiven auf Basis ungesättigter Polyester und auf Basis endgruppenfunktionalisierter Elastomere (Kautschuke) als Antistatikadditiv in den erfindungsgemäßen antistatisch ausgerüsteten Elastomeren bzw. Elastomerzusammensetzungen enthalten sein.
  • Dabei kann das Verhältnis zwischen polymeren Antistatikadditiven auf Basis ungesättigter Polyester und polymeren Antistatikadditiven auf Basis von endgruppenfunktionalisierten Elastomeren (Kautschuken) in weiten Grenzen variieren, d.h. zwischen 99:1 und 1:99. Bevorzugt wird das Verhältnis aber zwischen 95:5 und 5:95 und noch bevorzugter zwischen 80:20 und 20:80 betragen.
  • Mit Hilfe solcher Mischungen ist eine gute Anpassung und Abstimmung der polymeren bzw. oligomeren Antistatikadditive an die Eigenschaften der auszurüstenden Elastomere bzw. Elastomermischungen, insbesondere im Hinblick auf eine verbesserte Homogenität der Einbringung und Verteilung und letztendlich kovalenten Anbindung, möglich. Eine Permanentausrüstung über die gesamte Lebensdauer eines Bauteils wird damit gefördert.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von permanent antistatisch ausgerüsteten Elastomeren oder Bauteilen daraus, bei dem in einem ersten Schritt das oder die polymere(n) Antikstatikadditiv(e) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 in dem Elastomer oder der Elastomermischung homogen verteilt wird/werden und die Komponenten in einem zweiten Schritt durch Vulkanisation unter Ausbildung kovalenter Bindungen zwischen Elastomermatrix und polymerem Antistatikaddtiv reaktiv gekoppelt wird/werden.
  • Demnach kann zunächst die permanent antistatisch ausgerüstete Elastomerzusammensetzung hergestellt und gegebenenfalls vor der Weiterverarbeitung zu Bauteilen oder Bauteilkomponenten gelagert werden. Die Bauteile oder Bauteilkomponenten können aber auch simultan während der Vulkanisation ausgeformt werden.
  • Vorzugsweise wird das oder werden die polymere(n) Antistatikadditiv(e) zunächst mit den Matrixelastomeren homogen vorgemischt und danach in üblicher Weise weitere Rezepturbestandteile, wie Füllstoffe, Polymerisationsinhibitoren und schließlich Vulkanisationsbeschleuniger zugegeben und mit der Mischung homogenisiert.
  • Die homogene Verteilung der Komponenten kann durch Rühren in einem Rührbehälter, Dispergieren mit einem Zahnscheibenrührer in einem Rührbehälter oder Dispergieren nach dem Rotor-Stator-Prinzip in einem Rührbehälter bewerkstelligt werden.
  • Das oder die polymere(n) Antistatikadditiv(e) wird oder werden zu den Matrixelastomeren vor oder bei der Einarbeitung des Vulkanisationsbeschleunigers zugemischt und homogen verteilt.
  • In vorteilhafter Weise wird das oder werden die polymere(n) Antistatikadditiv(e) durch einen Knetprozess in einer plastischen Schmelze der Matrixelastomere homogen verteilt.
  • In ebenso vorteilhafter Weise wird das oder werden die polymere(n) Antistatikadditiv(e) durch einen Walzprozess in einer plastischen Schmelze der Matrixelastomere homogen verteilt. In diesem Fall sollten jedoch während des Walzprozesses noch keine Vulkanisationsmittel in der Rezeptur enthalten sein. Die beim Walzen auftretenden höheren Temperaturen könnten sonst den Vulkanisationsprozess vorzeitig starten.
  • Die Vulkanisation kann wahlweise mittels Schwefelvulkanisation, Peroxidvulkanisation oder Vulkanisation mit energiereicher Strahlung durchgeführt werden.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäß antistatisch ausgerüsteten Elastomere oder Elastomermischungen lässt also einige Variationen zu. Das Einbringen der Antistatikadditive oder Antistatikadditivmischungen kann so entweder nachträglich zur bereits fertigen unvulkanisierten Elastomermischung oder bereits während des Produktionsprozesses der Elastomermischung erfolgen. Für die Antistatikadditive auf Basis der Kautschuk- bzw. Elastomerderivate wurde aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit eine gute Verträglichkeit und damit Dispergierbarkeit mit der auszurüstenden Elastomermatrix erwartet und hat sich auch erwiesen. Der Einsatz der Antistatika auf Basis der modifizierten ungesättigten Polyester zeigte ebenfalls eine überraschend gute Verträglichkeit/Dispergierbarkeit mit der Elastomermatrix.
  • Durch Vulkanisation lassen sich die Doppelbindungen aufweisenden erfindungsgemäß eingesetzten Antistatika erstmals über chemisch kovalente Bindungen in ein Elastomernetzwerk (eine Elastomermatrix) einbauen. Auf diese Weise wird die angestrebte hohe Permanenz der Antistatikausrüstung über die Lebensdauer eines damit hergestellten Bauteiles erreicht. Das Additiv hat keinen oder nur einen geringen (negativen) Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften des Elastomers bzw. der Elastomermischung und die resultierenden mechanischen Eigenschaften der Vulkanisate, was aber gegebenenfalls durch eine Anpassung der Rezeptur überkompensiert werden könnte. Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der mit dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 14 bis 21 hergestellten permanent antistatisch ausgerüsteten Elastomere zur Herstellung von Bauteilen für den Einsatz in der Elektrotechnik und Elektronik.
  • Durch den chemischen Einbau der Additive in das Elastomernetzwerk erreicht man neben der deutlichen Absenkung des spezifischen Oberflächenwiderstands auf unter 1010 Ω/□, zudem eine Verbesserung der Oberflächenhärte (Shore D) und der Zugfestigkeit im Vergleich zur unadditivierten Elastomermatrix. Auch die Glasübergangstemperatur des antistatisch ausgerüsteten Vulkanisats wird durch die Integration des Additivs bzw. der Additive nicht oder nur wenig (negativ) beeinflusst.
  • Nachfolgend wird die Erfindung im Wege von Ausführungsbeispielen näher erläutert und untermauert.
    • I. Herstellung von polymeren Antistatikadditiven für Elastomere bzw. Elastomermischungen
  • Die nachfolgend wiedergegebenen Reaktionsgleichungen zeigen schematisch die Synthese der bevorzugten Antistatikadditive und sind nur allgemein, aber nicht notwendiger Weise bindend:
    • Ungesättigte Polyester
  • Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
    • Endgruppenfunktionalisierte Polybutadiene
  • Figure imgb0008
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010
  • Die ungesättigten Polyester lassen sich durch die Verwendung eines Monomers mit bereits enthaltenen ionischen Funktionalitäten in bekannter Weise über Polymeraufbaureaktionen herstellen (D. Braun, H. Cherdron und W. Kern, Praktikum der makromolekularen organischen Chemie, Dr. Alfred Hüthig Verlag GmbH, Heidelberg, 1979). Es werden vor allem Additive mit reaktiven Doppelbindungen synthetisiert, die bei der Vulkanisation des Elastomers in dessen Netzwerk integriert werden und damit eine permanente antistatische Ausrüstung ermöglichen.
  • Die endgruppenfunktionalisierten Elastomere lassen sich in bekannter Weise durch polymeranaloge Reaktionen herstellen (A. B. Cherian, E. T. Thachil, Journal of Applied Polymer Science 2004, 94 1956).
  • In der Tabelle 1 unten sind die spezifischen Oberflächenwiderstände der reinen Syntheseprodukte der erfindungsgemäß bevorzugten Antistatikadditive zusammengestellt. Der spezifische Oberflächenwiderstand wurde durch Applikation auf ein nicht leitendes Substrat (spezifischer Oberflächenwiderstand > 1012 Ω/□) von allen Verbindungen bestimmt. Alle Produkte zeigten sich als Antistatikadditive geeignet. Tabelle 1: Oberflächenwiderstand der bevorzugten Antistatikadditive
    Additive Oberflächenwiderstand [Ω/□] (Trockenklima*) Oberflächenwiderstand [Ω/□] (Normalklima*)
    UP1 1·106 2·106
    UP2 3·108 8·107
    UP3 3·108 5·107
    UP4 2·109 3·107
    UP5 1·108 7·107
    UP6 1·106 2·106
    UP7 2·108 3·105
    PB4 7·109 2·109
    PB7 5·106 7·105
    PB8 4·106 1·106
    Natriumoleat 1·109 4·108
    (*DIN EN ISO 3672-2: Normalklima: 23°C/50% Luftfeuchte, Trockenklima 20°C/35% Luftfeuchte)
  • Die Messung des Oberflächenwiderstands R erfolgt nach einer Klimakonditionierung der Proben im Trockenklima (20°C/35% Luftfeuchte) und im Normalklima (23°C/50% Luftfeuchte) im Klimaschrank KBF der Firma BINDER mit dem Hochohmwiderstandsmessgerät HM 307 D der Firma FETRONIC mit einer Ringelektrode. Empfehlungen der Dauer und Art der Konditionierung wurden der Norm DIN EN ISO 3915 entnommen und auf mindestens 16 h festgelegt.
    • II. Herstellung antistatisch ausgerüsteter Elastomere bzw. Elastomerbauteile
  • Wie bereits erwähnt können die mit Antistatikadditiven additivierten Elastomere nach der Homogenisierung direkt vulkanisiert und bis zu ihrer Weiterverarbeitung gelagert werden. Alternativ kann die Ausformung zu antistatischen Bauteilen oder Bauteilkomponenten auch gleichzeitig mit der Vulkanisation durchgeführt werden.
    • Beispiel 1: Antistatische Ausrüstung von Elastomer(bauteil)en mittels ungesättigter Polyester
  • Das Antistatikadditiv UP-5 auf Basis eines ungesättigten Polyesters der oben dargestellten Formel wurde mittels einer Polykondensationsreaktion in Schmelze bei 170°C für 1 h unter Schutzgasatmosphäre nach einem in der Literatur bekannten Verfahren erhalten (D. Braun, H. Cherdron und W. Kern, Praktikum der makromolekularen organischen Chemie, Dr. Alfred Hüthig Verlag GmbH, Heidelberg, 1979). Bei der Polymeraufbaureaktion zu dem Elektrolyten wurde Natriumcitrat als monomerer Baustein mit ionischen Funktionalitäten verwendet.
  • Das erhaltene Antistatikadditiv UP-5 ist farblos und besitzt eine sehr gute Thermostabilität bis 190°C mit einem Masserückstand von 90%. Die Thermostabilität des Additivs UP-5 wird durch die chemisch kovalente Einbindung in das Elastomernetzwerk noch erhöht.
  • 5 Gew.% des ungesättigten Polyesters UP-5, bezogen auf die Gesamtrezeptur, werden zum Matrixelastomer hinzugefügt und im Kneter (z.B. Laborkneter Haake PolyLabSystem Rheomix R600p) bei 70°C für 5 Minuten gemischt. Danach werden weitere Rezepturbestandteile (Füllstoffe, Polymerisations- oder Vulkanisationsinhibitoren) zugemischt und weitere 5 Minuten bei gleich bleibender Temperatur homogenisiert. Schließlich werden die Vulkanisationsmittel (Beschleuniger, Schwefel) zugegeben und mit der Elastomermischung 2 Minuten homogenisiert.
  • Die Vulkanisation erfolgt dann nach im Stand der Technik für die Vulkanisation von Elastomeren bekannte und übliche Verfahren. Das vulkanisierte Elastomermaterial wird sodann im Normalklima (23°C, 50% relative Luftfeuchtigkeit) und im Trockenklima (20°C, 35% relative Luftfeuchtigkeit) über einen Zeitraum von mindestens 16 h konditioniert. Danach wird mittels des Hochohmmessgeräts HM 307 D der Firma FETRONIC der Oberflächenwiderstand R nach DIN EN 61340-2-1 ermittelt. Der Oberflächenwiderstand des Elastomers ohne UP-5 liegt bei >> 1013 Ω/□. Durch den Zusatz von nur 5 Gew.% UP-5 und Einbinden in die Elastomermatrix durch Vulkanisation konnte eine Absenkung auf 108 Ω/□ erreicht werden, was die antistatische Wirkung des Additivs beweist.
  • Derart ausgerüstete Elastomerbauteile sind damit antistatisch ableitfähig (Tabelle 2). Tabelle 2: Spezifische Oberflächenwiderstände eine unadditivierten Elastomer(bauteil)s und eines mit 5% UP-5 antistatisch ausgerüsteten Elastomer(bauteil)s
    Probe Oberflächenwiderstand [Ω/□] (Trockenklima*) Oberflächenwiderstand [Ω/□] (Normalklima*)
    Vulkanisiertes Elastomer(bauteil)/nicht additiviert >> 1013 Ω/□ >> 1013 Ω/□
    Vulkanisiertes Elastmer-(bauteil) m. 5 Gew.% UP-5 1·108 7·107
    (*DIN EN ISO 3672-2: Normalklima: 23°C/50% Luftfeuchte, Trockenklima 20°C/35% Luftfeuchte)
  • In rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen (REM) waren keine Entmischungsprozesse erkennbar, somit kann von einer homogenen Integration des polymeren Antistatikadditivs in das Elastomernetzwerk ausgegangen werden.
  • In Tabelle 3 unten sind mechanische und thermische Eigenschaften des mit dem polymeren Antistatikadditiv additivierten Elastomer(bauteil) im Vergleich zu demjenigen ohne Additivzusatz zusammengestellt. Tabelle 3: Eigenschaften der mit 5 Gew.% UP-5 additivierten Elastomermischung im Vergleich zur unadditivierten Elastomermischung
    Vulkanisiertes unadditiviertes Elastomer(bauteil) Vulkanisiertes mit 5 Gew.% UP-5 additiviertes Elastomer(bauteil)
    Härte nach Shore D 48,4 48,9
    Zugfestigkeit bei 100% Dehnung 6.65 6.95
    Glasübergangstemperatur 73,5°C 72,1°C
  • Durch die chemisch kovalente Anbindung des Additivs in das Elastomernetzwerk wird eine Verbesserung der Oberflächenhärte (Shore D) und der Zugfestigkeit für das mit polymerem Antistatikadditiv ausgerüsteten Elastomer(bauteil) im Vergleich zur nicht additivierten Probe erreicht. Der Glasübergang des antistatisch ausgerüsteten Vulkanisats wird durch die Integration des Additivs nicht negativ beeinflusst.
    • Beispiel 2: Antistatische Ausrüstung von Elastomer(bauteil)en mittels endgruppenfunktionalisierten Antistatikadditiven
  • Das Antistatikadditiv PB7 wurde entsprechend der Literatur durch Umsetzung der Carboxylfunktionen eines UP-Harzes mit einem mit Hydroxylgruppen funktionalisierten Polybutadien in Schmelze erhalten (A. B. Cherian, E. T. Thachil, Journal of Applied Polymer Science 2004, 94 1956). Die Darstellung erfolgte unter Argonatmosphäre bei 160°C während 1 h. Das erhaltene Antistatikadditiv ist farblos und besitzt eine sehr gute Thermostabilität bis 190°C mit einem Masserückstand von 89%.
  • 5 Gew.% PB7 wurden einer Elastomermischung ohne Vulkanisationskomponenten (Beschleuniger, Schwefel) im Kneter (z.B. Laborkneter Haake PolyLabSystem Rheomix R600p) bei 70°C für 10 Minuten zugemischt. Dann werden die Vulkanisationskomponenten zugegeben und nochmals 2 Minuten bei konstanter Temperatur mit der Elastomermatrix homogenisiert. Die Vulkanisation erfolgt nach dem für Elastomere im Stand der Technik bekannten und üblichen Verfahren. Das vulkanisierte Elastomer wird im Normalklima (23°C/50% Luftfeuchte) und im Trockenklima (20°C/35% Luftfeuchte) über einen Zeitraum von mindestens 16 h konditioniert. Danach wird mittels des Hochohmmessgeräts HM 307 D der Firma FETRONIC der Oberflächenwiderstand R nach DIN EN 61340-2-1 ermittelt. Der Oberflächenwiderstand des Elastomers ohne PB7 liegt bei >> 1013 Ω/□. Durch den Zusatz von nur 5 Gew.% PB7 und Einbinden in die Elastomermatrix durch Vulkanisation konnte eine Absenkung auf 106 Ω/□ erreicht werden, was die antistatische Wirkung des Additivs beweist.
  • Derart ausgerüstete Elastomerbauteile sind damit antistatisch ableitfähig (Tabelle 4). Tabelle 4: Spezifische Oberflächenwiderstände eines unadditivierten Elastomer(bauteil)s und eines mit 5 Gew.% PB7 antistatisch ausgerüsteten Elastomer(bauteil)s
    Probe Oberflächenwiderstand [Ω/□] (Trockenklima*) Oberflächenwiderstand [Ω/□] (Normalklima*)
    Vulkanisiertes Elastomer(bauteil)/nicht additiviert >> 1013 >> 1013
    Vulkanisiertes Elastmer-(bauteil) m. 5 Gew.% PB7 5·106 7·105
    (*DIN EN ISO 3672-2: Normalklima: 23°C/50% Luftfeuchte, Trockenklima 20°C/35% Luftfeuchte)
  • In Tabelle 5 unten sind mechanische und thermische Eigenschaften der mit dem polymeren Antistatikadditiv additivierten Elastomer(bauteil) im Vergleich zu demjenigen ohne Additivzusatz zusammengestellt. Tabelle 5: Eigenschaften der mit 5 Gew.% PB7 additivierten Elastomermischung im Vergleich zur unadditivierten Elastomermischung
    Vulkanisiertes unadditiviertes Elastomer(bauteil) Vulkanisiertes mit 5 Gew.% UP-5 additiviertes Elastomer(bauteil)
    Härte nach Shore D 48,4 48,6
    Zugfestigkeit bei 100% Dehnung 6.65 MPa 6.81 MPa
    Glasübergangstemperatur 73,5°C 71,5°C
  • Durch die chemisch kovalente Anbindung des Additivs in das Elastomernetzwerk wird wieder eine Verbesserung der Oberflächenhärte (Shore D) und der Zugfestigkeit für das mit polymerem Antistatikadditiv ausgerüstete Elastomer(bauteil) im Vergleich zur nicht additivierten Probe erreicht. Der Glasübergang des antistatisch ausgerüsteten Vulkanisats wird durch die Integration des Additivs ebenfalls nicht negativ beeinflusst.
  • Die polymeren Antistatikadditive der vorliegenden Erfindung lassen sich im Vulkanisationsprozess über chemisch kovalente Bindungen in das Elastomernetzwerk (Bulkphase) integrieren. Daraus resultiert eine hohe Permanenz der Wirksamkeit, d. h. der antistatischen Eigenschaft derart ausgerüsteter Elastomere. Gleichzeitig erhält man eine Verbesserung der anwendungsrelevanten Eigenschaften Oberflächenhärte und Zugfestigkeit, unter Beibehaltung der Glasübergangstemperatur des entsprechenden unadditivierten Vulkanisats. Die Wirksamkeit der Antistatikadditive ist nicht von der Umgebungsfeuchte abhängig oder eine solche Abhängigkeit ist weitgehend reduziert. Die polymeren Antistatikadditive sind matrixkompatibel und daher einfach und homogen in die Elastomermatrix integrierbar. Die Antistatikadditive sind farbneutral, sodass beliebig farbige Elastomere oder Elastomerbauteile ohne Einschränkung herstellbar sind. Die polymergebundenen Antistatikadditive lassen sich über einfache Synthesen in Substanz darstellen und können ohne weitere Aufarbeitungsschritte eingesetzt werden. Die Antistatikadditive sind bis 190°C thermostabil und damit problemlos bei ihrer weiteren Verarbeitung handhabbar. Damit einer Elastomermatrix antistatische Eigenschaften im gewünschten Sinn verliehen werden (spezifischer Oberflächenwiderstand deutlich unter 1010 Ω/□), sind nur relativ geringe Einsatzmengen der Antistatikadditive erforderlich. Durch die Möglichkeit einer permanenten antistatischen Ausrüstung der Elastomere und daraus hergestellter Bauteile sind letztere für den Einsatz im Bereich des Explosionsschutzes vorteilhaft.

Claims (17)

  1. Polymergebundene Additive zur antistatischen Ausrüstung von Elastomeren, wobei die Additive auf ungesättigten Polyestern und/oder endgruppenfunktionalisierten Kautschuken basieren, wobei die ungesättigten Polyester in Elektrolytform vorliegen und aus der Gruppe, bestehend aus
    Figure imgb0011
    Figure imgb0012
    Figure imgb0013
    Figure imgb0014
     ausgewählt sind und die endgruppenfunktionalisierten Kautschuke Polybutadiene sind, die in ionischer bzw. Elektrolytform vorliegen und aus der Gruppe bestehend aus
    Figure imgb0015
    Figure imgb0016
    Figure imgb0017
     ausgewählt sind.
  2. Additive nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ungesättigten Polyester und endgruppenfunktionalisierten Kautschuke/Polybutadiene eine Thermostabilität von mindestens 180°C, bevorzugt von 200°C aufweisen.
  3. Additive nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ungesättigten Polyester und endgruppenfunktionalisierten Kautschuke/Polybutadiene farbneutral sind.
  4. Additive nach einem jeden der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungen der Ansprüche 1 und 4 n oder n + m eine Zahl zwischen 10 und 30 bedeutet.
  5. Antistatisch ausgerüstete Elastomere oder Elastomerzusammensetzungen, basierend auf einer Elastomermatrix aus wenigstens einem Elastomer und/oder wenigstens einem Kautschuk, wobei in die Elastomermatrix wenigstens ein polymerbasierendes Antistatikadditiv nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 homogen eingebracht und kovalent gebunden ist.
  6. Antistatisch ausgerüstete Elastomere oder Elastomerzusammensetzungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die polymere(n) Antistaktikadditiv(e) in Anteilen zwischen 0,1 und 20,0 Gew.%, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 Gew.% und noch bevorzugter zwischen 1 und 6 Gew.% in der Gesamtrezeptur enthalten sind.
  7. Antistatisch ausgerüstete Elastomere oder Elastomerzusammensetzungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mischungen aus den polymeren Antistatikadditiven auf Basis ungesättigter Polyester und auf Basis endgruppenfunktionalisierter Kautschuke enthalten sind.
  8. Antistatisch ausgerüstete Elastomere oder Elastomerzusammensetzungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen polymeren Antistatikadditiven auf Basis ungesättigter Polyester und polymeren Antistatikadditiven auf Basis von endgruppenfunktionalisierten Kautschuken zwischen 99:1 und 1:99, bevorzugt zwischen 95:5 und 5:95 und noch bevorzugter zwischen 80:20 und 20:80 beträgt.
  9. Verfahren zur Herstellung von permanent antistatisch ausgerüsteten Elastomeren oder Bauteilen daraus, bei dem in einem ersten Schritt das oder die polymere(n) Antikstatikadditiv(e) gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 in dem Elastomer oder der Elastomermischung homogen verteilt wird/werden und die Komponenten in einem zweiten Schritt durch Vulkanisation unter Ausbildung kovalenter Bindungen zwischen Elastomermatrix und polymerem Antistatikaddtiv reaktiv gekoppelt wird/werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil simultan mit der Vulkanisation ausgeformt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die polymeren Antistatikadditive zunächst mit den Matrixelastomeren homogen vorgemischt werden und danach in üblicher Weise weitere Rezepturbestandteile, wie Füllstoffe, Polymerisationsinhibitoren und schließlich Vulkanisationsbeschleuniger zugegeben und mit der Mischung homogenisiert werden.
  12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die homogene Verteilung der Komponenten durch Rühren in einem Rührbehälter, Dispergieren mit einem Zahnscheibenrührer in einem Rührbehälter oder Dispergieren nach dem Rotor-Stator-Prinzip in einem Rührbehälter durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die polymere(n) Antistatikadditiv(e) zu den Matrixelastomeren vor oder bei der Einarbeitung des Vulkanisationsbeschleunigers zugemischt und homogen verteilt wird/werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die polymere(n) Antistatikadditiv(e) durch einen Knetprozess in einer plastischen Schmelze der Matrixelastomere homogen verteilt wird/werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die polymere(n) Antistatikadditiv(e) durch einen Walzprozess in einer plastischen Schmelze der Matrixelastomere homogen verteilt wird/werden.
  16. Verfahren nach einem jeden der Ansprüche 9 bis 15, da-durch gekennzeichnet, dass die Vulkanisation mittels Schwefelvulkanisation, Peroxidvulkanisation oder Vulkanisation mit energiereicher Strahlung durchgeführt wird.
  17. Verwendung der mit dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 9 bis 16 hergestellten permanent antistatisch ausgerüsteten Elastomere zur Herstellung von Bauteilen für den Einsatz in der Elektrotechnik und Elektronik sowohl im Niederspannungsbereich, als auch im Hochleistungs- bzw. Hochspannungsbereich und im Bereich des Explosionsschutzes für Industrieanlagen.
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